Conception de capteurs autonomes et intelligents sans fil pour un campus durable, responsable et fortement connecté

Design of autonomous and intelligent wireless sensors for a sustainable, responsible and highly connected campus

• Auteur / Autrice : Yassine Faize
• Direction : Christophe Jego, Nicolas Hanusse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 25/11/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : Bertrand Granado
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérémie Crenne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Matthieu Gautier, Sébastien Bilavarn

Mots clés

Mots clés contrôlés

Développement durable

Campus

Énergie

Prévision

Séries chronologiques

Qualité de service

Réseaux de capteurs (technologie)

Mots clés libres

Campus connecté

Réseau de capteurs

Récupération d’énergie

Optimisation énergétique

Qualité de service

Architecture matérielle

Estimation/Prédiction

Smart Campus

Sensor Network

Energy Harvesting

Energy Optimisation

Quality of Service

Hardware Architecture

Estimation

Prédiction

Résumé

Les réseaux de capteurs sont devenus omniprésents dans notre quotidien, que ce soitdans les milieux privés ou professionnels. Ils permettent de mesurer diverses grandeursphysiques selon un contexte applicatif. Dans le cadre des campus universitaires connectés,l’utilisation de réseaux de capteurs permet de superviser les coûts de fonctionnement desbâtiments, afin de réduire les différents impacts. Les mesures collectées et traitées permettentd’adresser des actionneurs afin d’améliorer la qualité de vie au sein d’un campus universitaire.La gestion énergétique des éléments constituant un réseau de capteurs est primordialeafin d’éviter une surconsommation des capteurs, et ainsi de garantir une autonomie suffisantedes capteurs. Concernant les échanges de données, différents types de communication sontpossibles. Elles peuvent être filaires en utilisant une infrastructure existante ou en déployantune infrastructure spécifique. Une alternative est l’utilisation de technologie sans fil, telque les réseaux WIFI ou Bluetooth, ou encore des technologies basse consommation, basdébit, mais longue portée telle que le réseau LORA. Afin de maximiser les performancesde ces capteurs, une adéquation matérielle et logicielle est également indispensable. Dansce contexte, l’objectif principal de cette thèse fût d’étudier la conception d’un réseau decapteurs autonomes pour le campus universitaire de de Bordeaux. Ce réseau doit avoirpour première fonctionalité le suivi des caractéristiques environnementales des bâtiments.L’objectif est de réduire au maximum les coûts d’infrastructure, de déploiement et demaintenance. Les capteurs doivent être autonomes en énergie avec une durée de vie suffi-sante. Différentes techniques existent pour favoriser l’autonomie des capteurs, mais le plussouvent ces dernières altèrent la qualité de service souhaitée. Des réponses et des choix sontapportés de façon spécifique à la fois aux niveaux matériel et logiciel. Pour ce faire, unmodèle architectural de capteurs est proposé, associant de la récupération d’énergie avecune technique de "Wake-Up" radio. L’idée est d’aboutir à un modèle pouvant être flexiblevis-à-vis de l’hétérogénéité géographique des bâtiments d’un campus.Puis, la seconde partie de cette thèse s’est focalisée sur la proposition de solutions visantà garantir une qualité de service du réseau de capteurs. Ainsi, un traitement supplémentairea été introduit. Ce dernier s’appuie sur des méthodes mathématiques d’estimation et deprédiction de séries temporelles. Les algorithmes développés permettent de compenser lespossibles pertes de données en utilisant l’historique disponible ainsi que les capteurs présentsdans le voisinage du capteur considéré afin de proposer une estimation avec une erreurlimitée. Cette approche permet d’aboutir à une qualité de service du réseau de capteursconforme aux attentes.Ces différentes contributions ont pu être implémentées et puis expérimentées à l’aidedu prototypage d’un réseau de capteurs. Ainsi, les différentes contributions de la thèse ontpu être validées dans un des bâtiments du campus de Bordeaux. Il en résulte un ensembled’expérimentations et de résultats qui sont décrits puis analysés dans ce manuscript dethèse.

Nowadays, sensor networks are everywhere in our daily lives, whether in private orprofessional environment. With them, it is possible to measure various physical quantitiesdepending on the application context. For smart campuses, sensor networks enable tosupervise operating costs of buildings, and therefore to reduce their various impacts.Measures collected and processed are used to address actuators in order to improve lifequality.The sensor network energy management is essential in order to avoid sensors overcon-sumption, and thus guarantee sufficient autonomy. Regarding data exchanges, differenttypes of communication are possible. They can be wired by using an existing infrastructureor by deploying a specific one. Wireless technology, such as WIFI or Bluetooth networks, oreven low consumption, low speed but long range technologies such as the LORA network arealternatives approches. In order to maximize sensor performances, hardware and softwaresuitability are also essential. In this context, this thesis main objective was to study thedesign of an autonomous sensor network for Bordeaux Campus. The primary purpose isto monitor environmental characteristics of buildings. In order to minimize infrastructure,deployment and maintenance costs, sensors have to be energy self-sufficient with adequatelifespan. Different techniques exist to improve sensors autonomy, but with an alteration ofdesired quality of service (QoS). Specific answers and choices were made at both hardwareand software level. To do this, an architectural model of sensors is proposed, combiningenergy harvesting and the "Wake-up" radio technique. The main idea is to come up with amodel that can be flexible to be adapted to buildings geographical heterogeneity.The second part of this thesis is focused on solutions that enables to guarantee a goodQoS. Thus, additional processings were introduced. The latter is based on mathematicalmethods for estimating and predicting time series. Proposed algorithms compensate possibledata losses by using available history as well as neighbors sensors of considered one, byproposing data estimation with limited errors. This approach guarantees a network QoSthat meets specifications.These various contributions were implemented and experimented thank to a sensorsnetwork prototype. Thus, the contributions were validated in one of Bordeaux campusbuildings. A set of experiments and results were obtained. They are described describedand analysed in this manuscript.